（电工理论与新技术专业论文）脉冲励磁高温超导块材悬浮特性研究.pdf

西嘉交通大学硕士硬究生学位论文第6 7 页 【2 3 】w a n gx i a o r o n g ，w 柚gs u y u ，e ta 1 g u i d a i 黼f o 眦柚dl a t e r a ls t i f f n e s so fy b a c i i o s 硅p e f c o n d u c 幻f s 池a f 礴y ，捷：池s uw 强ge d 。p f o c e e d i a 嚣o f 壬珏l e f n 采j o n a lw o r k s h o po 纛 h r sm a 盛l e v ( i s m a g l e v 2 0 0 2 ) ，c h e 雌d u ，p r c h i a ，2 0 0 2 p p 8 7 9 3 【2 4 】w a n gx i n g z h i ，w 柚gj i a s u ，e ta l - g l l i d 拍f 0 r s0 fh t sm a 翊e vd e v i c eo v e ft i l t e d g u i d e w a y ，l n ：斑鞯w a n ge d p o c e e d j n 盛so fb 把f n 撕o n a lw o 热h o p0 nh r sm a 对e v ( i s m a g l e v 2 0 0 2 ) ，c h 蛐g d u ，p r c h i n a ，2 0 0 2 p p 1 0 0 _ 1 0 4 【2 5 】王兴志横坡角度与高澡超导磁悬浮车的导向力关系西南交道大学学士学位论文 2 0 0 2 f 2 6 1c h u n f az h ，w 壮i i l i n gz l l a i ，e ta ld v n 砌i cr e s p o n s0 ft h ch i g ht c m p c r a t u r e s u p e r c o 喇u c 圭扭gm a g l e v 瓢s v c h i c l e k ：j i a 如w 姐ge d p c e 穗i 乱嚣o fi n t e m a t i o n a 王 w o r k s h o po n 硎瞄m a g l c v ( i s m a g 瑾v 2 0 0 2 ) ，a k n g d u ，p r c h i 黼，2 0 0 2 p p 1 1 9 1 2 7 【2 7 】r e 珏z h o n g y o ，w 强g 嚣a s u ，e t8 1 ab y b r i dm a 舀e vv c h i c l eu s i 孵唧n a 黼b tm 韶e l s a n dh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c i o r b u l k s p h y s i c ac 2 0 0 2 3 7 8 3 8 1 ( p a r t l ) ：8 7 3 - 8 7 6 【2 8 】r e nz b o n g y o u ，w a n gj i a s u ，e ta 1 t w ol d i l d so fd i 船佗n th y b 枷m a g l e vs c h e m e su s i n g o n b o a 越p c n 玮a 辩撤瑚鄹e t sa n d 量嚣s 趣：j i a 踮w 矗n ge d p 脒d i n g so fi n t e 雌毪t i o n 砖 w o r k s h o p h r sm a g l e v ( i s m a g l e v 2 0 0 2 ) ，c h e n g d u ，p r c h i n a ，2 0 0 2 p p 7 9 8 6 【2 9 】任仲友，王家素，e ta 1 高温超导磁悬浮车导向力测试装置电= ：】：= 电能新技术2 0 0 3 ， 2 2 ( 1 ) ：”培0 【3 0 1j i a s uw 蝴g ，s u ”w a n 岛e ta 1 g u i d a n c ef 0 r c e so f 埘g ht e m p e f a t i i r es u p e t c o n d u c 咖g m 3 掣e vt c s tv e h i c l c 蹴et r a 群a c 6 0 璐o na p m i e ds u p e 渤b d u c i i v n y 2 0 0 3 ，1 3 国： 2 1 5 4 - 2 1 5 6 p 1 】w 柚gs u ”，w 卸gj i a s u ，e ta 1 ( h i d a n c ef o r c e so f r 璐m a 甜e vv e h i c l e ，i n ：j i a s uw a n g e d 王箝c e e d 呈l l g s o fl n 锄c n a 6 0 n 破w o f k 曲o po nl 玎忑m a 瘁e v ( 1 s m a g i 置v 2 0 0 强 a l e n 窖d u ，p r c h i n a ，2 2 p p 7 4 7 8 f 3 2 1x r w 拍g h h s 0 n g ，e ta 1 k v i t a t i o nf o r c ea n dg u i d a n c cf o r c e0 fy b a c u 0b u l ki n a p p l i e d l d 携蝌c 2 3 ，3 8 6 ：5 3 岳5 3 9 【3 3 】) ( i a o m n gw 柚g ，j i 舔uw 柚e ta 1 t h ei e l a 廿0 n s h i p0 fg i i i d a n c ef o r c eb e t 嵋锄s i n 西e a n dm u l t i p l ec y h n d d c a ly b a c i i os u p e r c o n d u 咖r s p h y s i c ac 2 0 0 3 ，3 9 0 ( 2 ) ： 1 1 3 一1 1 9 【3 4 】) ( i a o f o n gw a l l g ，z h o g y o ur e n ，e ta i g u i d 神c ef o r c ei nai 曲n i t e l yl gs u p e r c o n d u c t o r 蚴dp e 融a 他n tm a g n e 娃cg l ，嗣e w a y s y s l e m n e4 t l l i n t e f n a t i o n a lw o 船h o po n p f o c c 豁至n g 蠲da p 蚪i c a 娃o n so fs u p e f o o n d h d i n g ( r 动b c oh r g eg f a i m a t e f i a l s ( p a s r e 心2 0 0 3 ) ，j e m ，g e n n a n v ，2 0 0 3 【3 5 】王晓融离温超导y b c o 块材在永磁导轨上方的导向力研究。西南交通大学硕士学 位论文2 0 0 3 【3 6 】沈腾明高温超母体力弛豫测试仪的设计及悬浮力弛豫研究髑南交通大学学士学 位论文2 3 r 3 7 1h h s o n g j s w 姐岛e ta l _ r e l a t i 0 璐i l i pb e t w e e l e v i i a n o nf o r c e 柚dl e v i t a t i o ns t i f f n e s s i nb o t l ls y m m e t r i c a la n du n s y m m e l r i c “a p p l i e df i d d t h e4 mi n i e m a t i o n a lw o r k s h o po n p r o s s j n g a n da p p l i c a 6 蚰s0 fs u p c f c o n d u c 蛀n g ( r e 粥c 0h | g cg 糯i nm 蠢l 矗a l s 西南交通大学硕士研究生学位论文第vi 页 图5 6 场冷条件下悬浮力实测值与计算值关系图3 8 图5 7 场冷条件下导向力实测值与计算值关系图3 9 图6 1 脉冲充磁机电路简图4 0 r ， 图6 2 输入电压波形u 2 和整流电压波形。d 4 1 图6 - 3 充电过程电路分析图4 2 图6 - 4 放电过程电路分析图4 3 图6 - 5 输出电流拟合指数模型曲线一4 5 图6 - 6s i m u u n k 实验仿真波形图4 6 图6 - 7 脉冲波形参数一4 6 图6 8 梯形脉冲波型图4 7 图6 9 正态分布脉冲波型图一4 7 图6 1 0 脉冲线圈数值简化模型4 8 图6 - 1 1 简化的二维计算模型4 9 图6 - 1 2 归一化不同电压下3 种脉冲波计算曲线与实测值比较5 0 图6 1 31 5 0 v 和3 0 0 v 时脉冲电压充磁后计算曲线与实测值比较5 1 图6 1 43 5 0 v 时脉冲电压充磁后与轨道作用的计算曲线与实测值比较5 1 图7 1 电容滤波的单相桥式半控整流电路的s i m u u n k 模拟图5 4 图7 2 几何建模相关参数输入框5 4 图7 3 二维几何模型示例5 5 图7 - 4 物理建模相关参数输入5 5 图7 5 软件运动模式输入界面5 6 图7 6 电流密度x - y 截面的分布5 6 图7 7 磁场强度x - y 截面的分布5 7 图7 8 悬浮力分布曲线一5 7 图7 9 导向力分布曲线5 8 图7 - 1 0 高温超导数值模拟平台流程5 9 图7 1 1 前处理求解模块6 0 图7 1 2 高温超导数值实验模拟平台用户界面6 1 图7 - 1 3 超导块材脉冲充磁数值试验模拟平台6 1 图7 1 4 脉冲励磁实验研究过程模拟流程6 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第v i i 页 表格目录 表2 1 永磁轨道详细参数6 表2 2 充电电压与线圈中心磁场强度的对照表8 表3 1 脉冲励磁后的y b c o 块材结晶面的磁场三维分布和在) “面上的 投影。1 9 表4 1 不同脉冲励磁后超导样品侧向力最大值2 5 表4 2 轨道中心磁场强度与场冷高度对照表3 0 表5 1 单个特殊点的- 叫直一3 6 表5 2 实验与计算中对比时模型采用的固定参数3 7 表6 1 几何尺寸参数5 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章主要介绍本论文研究工作的背景、国内外研究进展及本论文的主要 研究内容与意义。 1 1 引言 超导现象是1 9 1 1 年由荷兰物理学家昂内斯发现的。可惜的是，传统的超 导电现象只能在液氦温区才能出现，而氦是一种稀有气体，因而大大限制了 超导的应用。1 9 8 6 年，物理学家缪勒和贝德诺兹发现了高温超导材料。1 9 8 7 年初，吴茂昆、朱经武等发现了超导转变温度高达9 0 k 的超导体，几天后， 中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉等以及日本的科学家也分别独立地发 现了超导转变温度为1 0 0 k 以上的超导体。超导体不能在液氮温区工作的禁区 终于被打破了。 1 9 8 6 年高温超导材料发现以来，人们在高温超导电性的理论、高温超导 体的物性、材料的制各手段、材料的特性及应用等方面已经作了大量的工作， 取得了很多重要结果。高温超导设备可在液氮( 7 7 k ) 下运行，运行成本大 大降低，且磁热稳定性大大提高，具备了大规模应用的可能性。高温超导块 材的制备研究主要强调有强的钉扎效应和更大的捕获磁场能力。据报道当高 温超导块材具有相当高的捕获磁场时，块材甚至可以作为永磁体，这代表了 高温超导块材的应用得到了更近一步的发展l 。高温超导永磁体采用的是非 理想第1 i 类超导体，因为其内部的钉扎中心对磁通线的运动有阻碍作用，可 以俘获磁通使超导体具有一定的剩磁而成为永磁体。高温超导材料不仅具 有较强的抗磁性和磁通钉扎性，而且具有自稳定性，从而推动了高温超导磁 悬浮研究的发展【4 5 州。高温超导块材在许多工程方面的应用不断涌现，例如 超导磁悬浮车、飞轮和超导轴承等方面。 据国际科技界和产业界的预测，2 叭0 年一2 0 1 5 年将是高温超导电力技术比 较全面地在全球范围内形成产业的阶段，而下一个1 0 年将是发展高温超导电 力技术的关键时期。 2 0 0 0 年1 2 月3 1 日下午2 点2 6 分，西南交通大学超导技术研究所在国 家高科技研究发展计划( 8 6 3 计划) 的支持下，成功研制了世界上首辆载人 高温超导磁悬浮实验车l “。浚车的研制成功表明了高温超导磁悬浮列车实现 高温超导磁悬浮实验车l “。该车的研制成功表明了高温超导磁悬浮列车实现 的可能性。( 图1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图1 1 世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车 围绕高温超导磁悬浮实验车，西南交通大学小组进行了一系列的实验测 试和计算研究【3 1 。其中包括y b c o 块材在永磁导轨上的悬浮力，导向力以及 悬浮力刚度和导向力刚度特性等研究，并且在基于临界态模型对相关结果进 行了数值分析侧。这些研究为高温超导磁悬浮列车的发展奠定了可靠的基 础。 1 2 国内外研究进展 随着熔融织构高温超导y b a c u 0 块材制备工艺的不断改进【4 “5 1 ，材料的 性能逐步提高。日本超导专家村上雅人领导的研究小组与铁道综合技术研究 所的富田优开发联手，成功合成了在温度2 9k 下具有1 7t 的高温超导体m l 。 高温超导块材具有广泛的应用前景，例如超导无摩擦传输系统、超导轴承、 超导磁体和超导磁悬浮车系统等【4 h 9 】。 弱连接的存在将降低高温超导材料内部临界电流密度，采用熔融织构 ( m t g ) 工艺、引入籽晶技术制备高温超导块材，可以生长出准单畴超导块材。 这类块材具有很高的临界电流密度，7 7 k 温度下可以俘获超过1 t 磁场f 5 0 j 。随 着工艺的不断改进u u 等人通过中子辐射引入有效的磁通钉扎中心，y b c o 块材在5 4 k 下俘获场高达8 3 钉1 5 1 j ，同样通过中子辐照m a s a n l 等人在2 9 k 时超导块材表面俘获的磁场达到1 7 一”j ，远远高于常规的永磁体。超导块材 俘获磁场在电机及其他电磁设备中有着良好的、潜在的应用前景，1 9 9 4 年 h u s t o n 大学和e m e r s o n 电气公司合作开发出了利用高温超导块材组成的样 机，转速达到2 0 0 2 2 6 5 r m i n ，最大的输出功率1 0 0 瓦【5 3 】；同年y i t o n 等人 利用c o 块材制成超导永磁电机输出功率达到1 1 5 千瓦【5 “。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 _ 3 永磁轨道示意图 2 2j c k - i i i a 快速脉冲充磁机 原理及用途：该机采用可控硅整流对电容器充电，然后可控硅开关对电 磁台放电，产生脉冲大电流，在充磁台上产生强脉冲磁场，已达到对磁产品 充磁。 输入电源类型、频率及功率：2 2 0 v 、5 0 、约4 k w 。 优点：该机操作简便，适宜大批量的自动流水线充磁。 应用范围：该机广泛用于径向尺寸在直径7 7 m m 以内各种稀土永磁、铝 镍钴、铁氧体永体磁铁材料及器件充磁。 该机广泛用于径向尺寸在直径7 7 m m 以内各种稀土永磁、铝镍钴、铁氧 体永体磁铁材料及器件充磁。 充磁原理 充磁原理见图2 4 所示。 西索交通大学硬士研究生学位论文第，9 页 脉冲电压为3 0 0 v 一3 5 0 v 之间的某一个点。在脉冲磁化y b c 0 块材过程中， 随着外界脉冲磁场的增加超导块材俘获磁场将增加，同时超导块耷孝内部磁通 蠕动和流动活动频繁，导致超导体内部产生热量。【j l i j 于导热性能差，所以块 材内帮温度升高导致屏蔽电流的减小。当外界脉冲磁场夸于某个饿f 对予本文 中y b c o 实验样品的测试实验为3 0 0 v 左右) 时，内部磁通运动缓慢温度增加 并不明显，终冕狱冷磁场的增加将导致块材俘获磁场的增加；当外界磁场增 加过大时，超导样品内部磁通运动频繁，内部温升降低了样品的俘获磁场能 力，块材俘获磁场开始下降，即出瑷了图3 4 所示豹在3 5 0v 以后俘获磁场 变小的情况。 俘获磁场的分布关系 表3 - 1 脉冲融磁磊的y 8 c 0 块拱结晶羲能磁场兰维分雄和在) 吖面上的投影 表3 1 为脉冲励磁后的y b c o 块材结晶丽的磁场三维图分布和在x y 面 上的投影。当弑冲电压为1 5 0 v o o v 对，表面磁场为单峰。实验用y b c o 块材采用顶部籽晶熔融织构生长技术，属于准单晶商温超导体，存在五个生 长区域。当外界脉冲场不断增加时，超导屏蔽电流在整个块材中逐渐形成环 流，磁力线由外边缘向块材内部渗透。若外羿磁场不够高，贝4 磁力线只能穿 透部分，当达到一定数值以后磁力线完全穿透。所以y b c o 块材表面中心的 磁场分布在脉冲电压达到4 0 0 v 戬土时出现了明显十字凹陷的分布【硼。除此 之外，该十字结构与表3 1 中y b c o 块材的区域生长边界外观形状一致。说 装y b c o 块材在生长区域边界处的俘获磁场明显比周强的低，此处1 2 3 相和 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 实验装置 实验装置主要由控制台与机械传动装置组成，完全由超导研究所自主设 计的。控制台提供了一个控制硬件( 数采、电机控制、微机、配线、实验操 作台架) ，如图2 1 0 所示。 图2 1 0s c m l 0 2 磁悬浮力测试系统控制台正面图 机械传动装置主要由四柱式多向移动平台，x y 精密定位仪，伺服电机 与电动缸组成。多向移动平台实现了导向力与悬浮力隔离，在测试过程中能 同时采集导向力与悬浮力而不互相影响，实验方式的多样化( 上置式杜瓦瓶 和下置式杜瓦瓶) 自动手动水平定位与坚直对中( x y 精密定位仪) ，从而实 现超导块材悬浮力与导向力研究过程中的测试模式多样化( 任意高度的场冷， 对称外场和可控任意对称偏离外场的超导块材的悬浮力与导向力研究) ，从而 为深入研究高温超导体磁悬浮力与导向力的准静态特性奠定基础。如图2 1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 控制硬件 图2 1 1s c m l 厂0 2 磁悬浮力测试系统机械传动装置正面图 控制硬件包括伺服电机控制卡、数据采集卡、电机伺服单元、机架配线、 信号滤波、工控机等组成，电机控制卡与数据采集卡采用美国国家仪器公司 ( n i ) 的产品，能够实现八通道数据同步采集，从而实现悬浮力与导向力实 时同步采集，配合自主研发的悬浮力与导向力隔离多向移动平台( 参见图2 1 1 ) 实现了悬浮力与导向力在低温环境下同步采集功能，在该领域属世界前列。 控制硬件主要安装在控制台内部。 控制处理软件 控制处理软件基于n a t i o n a l 公司的i 丑b w i n d o w s ，c 软件开发而成。 l a b w i n d o w s c 软件广泛应用于自动控制、数据采集以及通信等领域，可开 发出具有较好人机用户界面的应用程序。本系统的控制处理软件主要对 p m a c 卡编程以实现对步进电机运动的控制，对a d 转换模块，d a 转换模 块、i ，o 模块等进行编程以实现对传感器传送来的数据进行采集、处理、显 示及打印等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 设备的主要性能指标、工作环境以及调试 位置定位精度：o 0 5 m m 力测量精度：1 磁场测量精度：o 1 水平( x y ) 最大位移：1 伽| l m 垂直方向最大位移：1 5 0 m m 位移测试间距：o 1 m m 超导体：直径小于6 0 m m 供电电源：2 2 0 c ，1 5 a ( 最大) 工作温度：0 5 0 0 c 工作湿度：1 0 9 0 高温超导样品 实验中使用的高温超导样品全部为用顶部籽晶熔融织构法制各的 y b a 2 c u 3 0 7 x 块材( 简写为y b c 0 ) ，样品的形状为圆形，如图2 1 2 ，由北京有 色金属研究总院提供。 2 4小结 北京有色院 单耔晶圆柱样品 图2 1 2 实验中使用的超导样品 本章首先介绍了实验用的西南交通大学自行研制高温超导磁悬浮测试系 统s c m l 0 1 、高温超导磁悬浮s c m l 0 2 测试系统以及励磁用的j c k _ 认快 速脉冲充磁系统，然后介绍了本论文中使用的超导样品及永磁导轨等。为后 面实验内容章节打下铺垫。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 e 黑 爨 0 廿 电压 图3 3 脉充电压与线圈中心磁场强度的对照关系 俘获磁场峰值曲线关系 o 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 e 鼎o ” 蠼 1 5o 1 5 姆o 1 0 0 0 5 0 ； 一。一、- o2 0 04 0 06 8 0 01 0 0 0 电压( v ) 图3 - 4 y b c o 块材在不同脉冲场下的俘获磁通最大值 如图3 4 所示，外加脉冲电压5 0v 超导块材俘获磁场很小接近于零，从 5 0 v 到3 0 0 v 呈现出递增的趋势，在3 0 0 v 时即外场为1 7 9 t 俘获磁场出现 了一个峰值，为0 3 7t ，随着电压的增加3 0 0v 到4 5 0v 俘获磁场递减并在 4 5 0 v 时为0 1 8 t 出现小波谷。4 5 0 v 到6 0 0 v 俘获磁场逐渐递增，但递增速 率比5 0v 到3 0 0v 低，6 0 0v 以后俘获磁场趋于平稳，随电压的增长俘获磁 场变化幅度仅为0 2 t 。从实验曲线可以看出，y b c 0 块材的最大俘获磁场在 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 为超导体在不同脉冲场下励磁后俘获磁通在超导体结晶面上直径方向的分 布。可见，由于在不同脉冲电压下的俘获场在扫描测试时，超导体表面上各 点的扫描秩序有所变化，而且超导体内部微观结构也是不均匀的，这也会造 成超导体内磁通分布的不均匀，还有就是各次的测量也不会总是沿着超导体 结晶面上同一条直径进行的，这就造成了图中各条曲线的凹陷区域并不总是 发生在同一段。 图3 5 不同脉冲场下励磁后块材俘获磁通在超导体结晶面上直径方向的分布 3 3本章小结 脉冲法充磁后测量高温超导体俘获磁场的能力可以检测样品内的结晶状 况，生长区域边界的存在。脉冲次数对俘获场的影响很大，由于零场冷的磁 不稳定性，一般脉冲达到三次时，出现最大俘获场。实验发现c o 块材在 脉冲场下的俘获磁场并不是一直随着脉冲磁场的增大而增大的，而是当脉冲 电压在某个值附近，例如3 0 0v 附近时会出现一个峰值o 3 7t 。随着脉冲励 磁电压的增大，y b c 0 块材在脉冲场下的俘获磁通在x y 面上的投影图呈现 出明显的十字架结构，说明块材生长边界俘获磁场的能力最弱。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 为超导体在不同脉冲场下励磁后俘获磁通在超导体结晶面上直径方向的分 布。可见，由于在不同脉冲电压下的俘获场在扫描测试时，超导体表面上各 点的扫描秩序有所变化，而且超导体内部微观结构也是不均匀的，这也会造 成超导体内磁通分布的不均匀，还有就是各次的测量也不会总是沿着超导体 结晶面上同一条直径进行的，这就造成了图中各条曲线的凹陷区域并不总是 发生在同一段。 图3 5 不同脉冲场下励磁后块材俘获磁通在超导体结晶面上直径方向的分布 3 3本章小结 脉冲法充磁后测量高温超导体俘获磁场的能力可以检测样品内的结晶状 况，生长区域边界的存在。脉冲次数对俘获场的影响很大，由于零场冷的磁 不稳定性，一般脉冲达到三次时，出现最大俘获场。实验发现c o 块材在 脉冲场下的俘获磁场并不是一直随着脉冲磁场的增大而增大的，而是当脉冲 电压在某个值附近，例如3 0 0v 附近时会出现一个峰值o 3 7t 。随着脉冲励 磁电压的增大，y b c 0 块材在脉冲场下的俘获磁通在x y 面上的投影图呈现 出明显的十字架结构，说明块材生长边界俘获磁场的能力最弱。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第4 章脉冲励磁高温超导块材悬浮特性实验研究 本章主要通过实验研究高温超导块材在脉冲励磁后在永磁导轨上方作用 的悬浮特性。首先研究了在不同脉冲场励磁后高温超导块材在永磁导轨上的 悬浮力，探讨了悬浮力与脉冲外场变化的关系。然后研究了在不同脉冲场励 磁后高温超导体在永磁轨道上方的导向力特性，并同时分析了在测试导向力 过程中的悬浮力与导向力的变化关系。最后对悬浮力的刚度进行了测试分析。 4 1励磁后高温超导块材与永磁导轨作用的悬浮力特性 为了研究不同脉冲场励磁对高温超导块的材悬浮力的影响，我们通过改 变电容电压从5 0 v 到7 5 0 v 分别励磁高温超导块材，并分别将其在正上方进行 悬浮力测试实验。测试装置采用西南交通大学高温超导技术研究所自行研制 的s c m l 一0 2 高温超导悬浮力测试系统，其测试精度非常高。测试时，先将高 温超导块材脉冲励磁后放于盛有液氮( 温度为7 7 k ) 的杜瓦里进行零场冷， 使其充分超导，在脉冲充磁线圈中励磁后将块材连同杜瓦一起放于测试装置 上进行测试。( 注：实验过程中超导块材始终保持浸泡在液氮里) 图4 1 给出 了在脉冲励磁后y b c 0 块材在永磁轨道上的悬浮力测试结果，悬浮间距指超 导体下表面距永磁导轨表面的距离，箭头代表运动方向，超导样品从5 4 m m 悬浮间距位置下降到5 m m 后再返后到5 4 m m 。 柏 g r 嚣 1 0 o1 0柏5 0 悬浮间距( 珊) 图4 1 永磁导轨上方悬浮力与悬浮间距的关系 图4 1 悬浮力曲线表现出明显的磁滞特性，即超导样品下降时的悬浮力 与超导样品上升时的悬浮力不相等，且下降时的悬浮力大于上升时的悬浮力。 悬浮力的磁滞实际上对应着能量的损耗。因为超导体内部的磁场实际上是以 秀南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 磁通量子的形式被约束在钉扎中心位置，磁场穿进或穿出超导体需要克服钉 扎势，要消耗一部分能量，其宏观表现就是悬浮力的磁滞行为。悬浮力的磁 滞与磁场的穿透深度有关，磁场穿透深度越大，损失的能景越多，磁滞越明 显。 图4 _ 2 不| 霞昧 孛电压融磁高温超导块材后在永磁导孰上方悬浮力与悬浮间距的关系 电压( v ) 图4 - 3 c o 块材在不阋赫、挣场下的悬浮力最大值 如图4 3 ，外捆辣冲电压5 0 v 超导块材悬浮力较，l 、，仅2 8 9 n 。扶5 0 v 到 3 0 0v 呈现出递增的趋势，在3 0 0v 时即外场为1 7 9t 悬浮力出现了一个峰 值，为5 6 。8 n ，随麓电压的增加3 0 0v 到4 5 0v 悬浮力递减并在4 5 0v 对出 现小波谷。4 5 0 v 到6 0 0 v 俘获磁场逐渐递增，但递增速率比5 0 v 到3 0 0 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 ( a ) 5 0 v 脉冲励磁 ( c ) 2 0 0 脉冲励磁 ( b ) 1 0 0 v 脉冲励磁 ( d ) 3 5 0 v 脉冲励磁 图4 6 不同脉冲励磁后超导样品侧向力测试结果 表4 1 不同脉冲励磁后超导样品侧向力最大值 脉冲励磁电压( v )1 0 0 2 0 03 0 0 4 0 05 0 06 0 07 0 0 导向力最大值( n )1 0 7 2 2 1 8 0 0 92 5 7 1 11 8 4 4 1 1 6 6 61 6 0 71 3 6 3 1 图4 6 给出了一块超导样品在不同脉冲场励磁下的侧向力和悬浮力同时 测试结果和表4 1 不同脉冲励磁后超导样品侧向力最大值，比较侧向力的实 验结果( 测试路径是：从偏离轨道中心2 0 m m 处为起始点开始到+ 2 0 m m 处， 再从+ 2 0 m m 到2 0 l i 吼) 得到如下几个规律： 西南交通大学硕士研究擞学位论文第2 7 页 售 一 签 量 r 齄 蛹 图4 - 7 悬浮力9 9 度与锲l 试距离的关系 由图4 7 悬浮力刚度与测试距离的关系，可以看出悬浮力舞4 度随羞测试高 度的减小而增加，对于悬浮力而言，越接近永磁导轨上表面中心位置，相应 的磁剐度越大。 童 言 越 基 r 翳 哟 悬浮间距( m ) 图4 堪不同脉冲电压励磁曩y b c o 块材在永磁导轨上方悬浮力剐度与悬浮间距的关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 图4 9 悬浮力刚度最大值关系曲线 由图4 9 可看出，悬浮力刚度与侧向力和悬浮力测试的结果一致，最大值 仍然出现在3 0 0 v 附近，而且其最大值并非随着脉冲电压的增大而增大。 4 4零场冷与脉冲励磁后c 0 块材悬浮特性的比较分析 零场冷是指超导样品在一个没有磁场的地方冷却进入超导态的冷却过 程。实验中通常在远离永磁导轨的地方冷却超导体，然后测试它在永磁导轨 上的悬浮力。本小节主要将同一块超导体块材分别在零场冷与脉冲励磁后测 试的悬浮特性进行比较分析。为了更清晰地分析问题，我们选择效果最好的 3 伽i v 脉冲励磁电压下的测试数据与零场冷进行比较。 怂 予n u 距( m ) 图4 1 0 零场冷与脉冲励磁悬浮力关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 1 、悬浮力大小：l 删3 0 0 口工删z 阳 2 、磁滞特性：3 0 0 v 明显大于零场冷条件 3 、两种条件下悬浮力测试初始值都接近于零 图4 1 1 零场冷与脉冲励磁导向力关系 1 、初始位置时：零场冷侧向力为零，而脉冲励磁3 0 0 v 不为零 2 、侧向力大小：i 函f 3 0 0 i 一l 觎z f c l 一 3 、脉冲励磁3 0 0 v 的侧向力曲线变化幅度明显大于零场冷 图4 1 2 零场冷与脉冲励磁悬浮力刚度关系 1 、悬浮力刚度大小：3 0 0 v 明显大于零场冷条件下的值 2 、两条刚度曲线都随着距离的减小而增大，5 4 m m 到6 0 m m 阶 段，零场冷曲线变化幅度比3 0 0 v 稍大 3 、在起始点8 0 m m 处，两条刚度曲线的初始值都不为零 从以上几张图可以看出，脉冲励磁条件下的悬浮力、侧向力、悬浮力刚 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 度均大于零场冷条件的值，说明脉冲励磁条件下块材具有更好的悬浮性能和 导向自稳定性能。 4 5场冷与脉冲励磁后c 0 块材悬浮特性的比较分析 场冷是指超导样品在一定的外磁场下冷却进入超导态的冷却过程。场冷 高度指冷却过程中超导体下表面到永磁导轨表面的距离。由于悬浮力与测试 过程相关，文中场冷悬浮力测试过程为：超导样品从冷却位置下降到测试最 低点后再上升到测试最高点。由于永磁导轨上方的磁场为非均匀场，超导体 占据空间的磁场是不均匀的，在此选择永磁导轨表面中心位置的磁场为参考 如表4 1 所示。 表4 - 2 轨道中心磁场强度与场冷高度对照表 场冷高度( m m ) 5 m m1 0 m m1 5 m m2 0 m m 磁场强度( t ) o 4 5 to 2 5 to 1 6 to 1 4 t 由于考虑到实验的可比性，我们选择同一块材在脉冲励磁过程中脉冲励 磁线圈中心磁场强度最接近的一组数据进行比较分析。( 脉冲励磁线圈中心磁 场强度请参考第2 章的图2 5 ) 实验中选择了四种不同的场冷高度，即5 m m ， 1 0 m m ，1 5 m m ，2 0 m m ，采样间距为o 5 m m ，分别测试了块材的侧向力、悬浮 力、悬浮力刚度，测试最低高度均为5 m m 。 图4 1 3 场冷与脉冲励磁悬浮力关系 图4 。1 3 中，从场冷角度来看悬浮力最大值随场冷高度的减小而减小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 与脉冲励磁的比较分析来看，在5 0 v 励磁时，脉冲线圈中心场强为0 3 5 t 与 场冷时几个高度轨道中心磁场强度较为相近，但从悬浮力表现来看5 0 v 脉冲 励磁条件下的值较几个场冷的结果稍大。这是由于场冷时块材俘获的磁场与 轨道上方的磁场相似，在测试过程中由于脉冲励磁条件下块材的俘获场与轨 道上方磁场的差异较大，导致磁场穿透深度加大，对应的感应电流越大，因 此表现出悬浮力的值也越大。 侧向位移( m ) 图4 1 4 场冷与脉冲励磁导向力关系 图4 1 4 中，从场冷角度来看导向力随场冷高度的减小迅速减小，同时 导向力曲线的磁滞越来越明显。与脉冲场励磁结果的比较来看，脉冲励磁的 磁滞较场冷的磁滞值小，导向力绝对值较1 0 m m ，1 5 m m ，2 0 1 i l m 的大。这是由 于脉冲励磁后超导体俘获了一部分磁场，有抑制感应电流与外磁场间的相互 作用，从而表现出较大的侧向力。 悬浮间距( m ) 图4 1 5 场冷与脉冲励磁悬浮力刚度关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 图4 1 5 中，明显看出脉冲励磁条件下块材的悬浮力刚度较其他场冷方式 的大，说明脉冲励磁后块材的磁不稳定性较大，内部磁场变化较大导致悬浮 力刚度较大。 4 6 本章小结 本章实验的基础上分析了永磁导轨上方的不同脉冲励磁下c o 块材的 悬浮特性。 通过实验分析了永磁导轨上方的不同脉冲励磁下y b c 0 块材的悬浮 力特性。在此基础上进一步讨论了脉冲电压的变化对对悬浮力测试 结果的影响，得出y b c o 块材的最大悬浮力值在脉冲电压为3 0 0 v 3 5 0v 之间的某一个点。这条曲线与前面所做的俘获场实验一致，说 明在脉冲磁化y b c o 块材过程中超导体内部产生热量对块材俘获的 磁场的大小有很重要的影响，这导致了块材在轨道上方悬浮力的大 小取向。 通过实验分析了永磁导轨上方的不同脉冲励磁下c o 块材的侧向 力特性。分析了侧向力测试过程中导向力的变化和其相应的悬浮力 变化，得出侧向力表现出较强的磁滞特性，侧向力曲线基本不可逆， 悬浮力并非与侧向力的变化一致，而是，彼此消长。然后分析了在 不同脉冲励磁下侧向力曲线的变化，得出与悬浮力相近似的结果， 最大值出现在脉冲电压为3 0 0 v 一3 5 0 v 之间的某一个点。 通过实验分析了永磁导轨上方的不同脉冲励磁下y b c 0 块材的悬浮 力刚度特性。并且讨论了脉冲电压的变化对悬浮力刚度测试结果的 影响。 通过实验将零场冷和场冷的实验测试值与脉冲励磁后y b c o 块材的 测试值作了简单的分析比较。得出脉冲励磁后块材具有比较优越的 悬浮特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 第5 章数值模型的建立 本章主要讨论数值模型的建立。首先提出问题并给出永磁体的数值分析 模型，然后对由高温超导体与永磁导轨组成的磁悬浮系统进行简化，将实际 的三维问题简化为二维问题，在此基础上探讨了相关方程的数值求解方法。 最后对永磁导轨磁场的计算结果与实测结果进行比较。 5 1电磁计算中外场的数学模羹 硼试磐兽中 ，超导样品的受力情况。如图4 5 所示，以 3 0 0 v 电容脉冲电压励磁为例，当样品初次起始测试位置时( 对应a b 段) ，导 向力逐渐减小，且与侧向位移的方向相同，表明侧向力有抑制块材返回平衡 位置的趋势。当样品在测向位移为1 0 m m 处有侧向力绝对值最大值2 3 9 n ，随 后样品运动到初始0 点时，在这段过程中侧向力随侧向位移的减小而减小。 经过d 点导向力由负变为正，导向力与侧向位移的方向相同，此时的导向力 实际上将阻止样品离开初始o 点位置。当超导样品第二次沿相反方向离开初 始位置时(对应d c 段) ，侧向力的方向与侧向位移的方向相同，侧向力阻碍超 导样品返回其o 点初始位置。不同之处在于第二次沿反向离开初始位置时受 到的导向力明显大于第一次从2 0 m m 回到初始0 位置时受到的力。当超导样 品从负向最大侧向位移返回初始o 点位置时，在返回到初始位置时，测向力 仍然为负。当测向位移为3 m m 时侧向力由正变为负，与第一次返回初始位置 过程中导向力的行为完全相同。由图4 5 可以看出，导向力表现出较强的磁 滞特性，侧向力曲线基本不可逆，悬浮力并非与导向力的变化一致，而是， 彼此消长。很明显在3 0 0 v 电容电压励磁后的块材的有效侧向位移小于 2 0 m m o m 。 珏南交通大学硕士研究黛学位论文第3 8 页 悬滓闻距f 黼) 图5 - 4 零场冷条件下悬浮力实测值与计算值关系图 窖 一 最 唇 曲 侧向位移l m m i 图5 - 5 零场冷条件”f 导向力测试值与计算值关系图 场冷模式：实验y b c o 块材场冷蔚度为1 阻瑚，分别进行导向力和悬浮 力测试。悬浮力溺试高度从离轨道3 5 m m 至5 m m ，测试遥度1 m m s 。谈l 向 力测试高度为5 m m ，侧向力测试范围从o 到+ 1 0 m m 。 惫浮间距f 皿0 圈5 6 场冷条件下悬浮力实测值与计算值关系圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 侧向位移( 哪) 图5 7 场冷条件下导向力实测值与计算值关系图 通过以上计算值和实测值的比较，可以看出程序得到的力一位移曲线的 走势与实测结果较为一致，这些模拟结果与实测结果较为吻合。 5 4 本章小结 本章介绍了模型的近似数值求解方法，首先对由高温超导体与永磁导轨 组成的磁悬浮系统进行简化，将实际的三维问题简化为二维问题。最后对实 测结果与计算结果进行比较分析，得出实测结果与模拟结果趋势较为一致， 结果较为吻合，验证了该高温超导实验模拟平台的可用性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 第6 章脉冲励磁阶段的电磁场数值分析 本章首先根据脉冲充磁机的原理图对脉冲充磁机的电路模型即电容滤波 的单相桥式半控整流电路进行电路分析，并在此基础上建立充放电过程的电 路模型，分析了脉冲线圈电流的充放电情况。建立脉冲电流的分析指数模型， 为了更深入的研究特增加梯形脉模型与正态分布模型。最后，将试验结果与 模拟计算结果进行分析比较，验证程序的可用性。 6 1脉冲场的数值分析 本文参考了快速脉冲充磁机的原理图，其电路是先通过桥式半控整流模 块将工频交流电变换为直流电。通过调节整流桥的触发脉冲时刻可以实现对 充电电压的控制，并对大电容充电。然后由控制模块通断经线圈回路快速放 电，从而在瞬间获得高压大电流。线圈在这种脉冲高压大电流作用下可以产 生瞬态强磁场，与超导体相互作用使其获得较强的捕获场。考虑到上述的分 析，外场可以通过瞬态线圈产生的电磁场来模拟，与永磁体略有差别的地方 在于在充磁阶段超导体位于线圈的内部，外场的改变由脉冲线圈来实现的。 电容滤波的单相桥式半控整流电路分析 图6 1 脉冲充磁机电路简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 图6 - 2 输入电压波形u 2 和整流电压波形玑 图6 1 为快速脉冲充磁机的原理图绘制的电路简图，图6 2 为输入电压 波形u ：和整流电压波形“，其中6 为导通角。由于导通后u ：开始向电容c 充 电，s c 冠和s c r 的导通时刻用于控制输出平均电压，而s 观得导通时刻控 制可获得给定的脉冲电压，其他部分如晶闸管信号触发控制电路、保护缓冲 电路等。 当“，正半周从州一o 至w f d 角时，因s c r 不导通，此阶段电容c 处于 可放电状态，s c r 一旦触发导通，向墨放电，下降。直到玑为零时，通 过s c 最的电流下降为零，放电回路断开。 当u ，处于负半周时，s c 与d 】导通，进入新的循环。 设跖e 和d 2 导通时刻与u ：通过零点时刻相距6 角，则 “2 - 2 u 2s i l l ( w f + 6 ) 在d ，和s c r 导通期间，以下方程成立： 当t = o 时有： i h d ( o ) 号2 u js i n d 1 。( 。) + 昙j = t 出：“： 6 1 所以有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 t 一2 c u 2c o s ( ，f + 6 ) ( 6 2 ) 设s c r 和d 2 导通角为日，则有p ) 一0 即屯徊) = 2 们u ：c o s ( 耐+ 6 ) 一o 因此有c o s p + 6 ) = o ，可知口= 当一6 二 当电容被充电至以- p 时s c r 和d 2 关断，有= “：= 2 u ：s i n ( 口+ 6 ) 。 电容开始以时间常数百= r c 按指数规律放电，当耐= 石时，h 。降至